云计算、物联网理论综述及钢铁行业应用现状

　　第 2 章 云计算、物联网理论综述及钢铁行业应用现状
　　
　　2.1 云计算
　　
　　2.1.1 云计算定义云计算是传统技术界外发展领域中两种技术的组合概念，“云”代表了网络和组网，而计算代表了与计算机相关的资源、应用和服务。Google 在“Google 101 计划”中正式提出“云计算”的概念，所谓的“云”强调了计算的弥漫性、无所不在的分布性以及社会性等特征。

　　美国国家标准与技术学会信息技术实验室将云计算定义为：“云计算是通过网络访问并且按需动态分配计算资源、存储资源和网络资源等底层资源组成的 IT 资源共享池，以适应用户的需求。此外还可以在少量的工作或与云服务供应商少量沟通的条件下动态地重新分配 IT 资源，以适应可扩展的资源负载”[3]。

　　国内将云计算定义为：“云计算是通过网络将大量计算机的计算资源、存储资源和网络资源整合起来形成资源共享池，实现大规模分布式并行计算，并通过网络提供动态的、可扩展的和虚拟化的资源来服务用户，提供数据存储、计算分析及信息服务等多种类型的服务”[4]。

　　云计算的使用示意图如图 2-1 所示，用户只需专注于自己的业务而不用关注云计算的具体技术细节。云计算模糊了资源的位置，用户可以直接通过网络配置资源，不需要绑定专门的物理资源，也可根据需要自动调整获取的资源。随着纷繁复杂的应用场景和云计算技术的发展，关于云计算还在产生新的定义。

　　2.1.2 云计算的多角度解析

　　对于云计算现在是众说纷纭，对云计算的解析也迥然不同，目前比较公认的云计算模型如图2-2所示。可以从核心本质特征、业务交付模式和架构部署模式三个不同的角度来解析云计算[3][5][50]。

　　(1) 架构部署模式

　　从云计算的架构部署模式角度来划分，目前有四种类型的云可用：公共云、私有云、团体云和混合云[50]。

　　① 公共云。

　　公共云对普通公众提供开放的服务，并且销售这些服务的组织可以拥有或者经营它，在公共云中，服务通过 Web 应用或 Web 服务在互联网上交付。所有资源都是以自我服务为基础，并且通常动态地供应。与现有的 SOA 和 Web 服务一起，企业可以集成公共云作为企业 IT 架构的扩展。大多数的服务供应商提供他们的软件产品到公共云中，还有一些供应商选择提供一个系统开发环境，或选择将其基础设施作为服务使用。

　　② 私有云。

　　私有云是专门为一个组织建立的，是指为组织内部服务的云，由组织自己构建，由一个单一的组织配置专用。它存在于组织的防火墙内，所有组成云计算的资源和服务都由该防火墙保护。私有云是大型企业和政府部门部署 IT 架构的主流模式。

　　③ 团体云。

　　团体云由一些组织共享，以便支持特定的团体目标或共享的经济利益。云计算设施供有利害关系的几个组织共同使用。

　　④ 混合云。

　　混合云由两个或更多种类型的云组成，可以是公共云、私有云、团体云，这些云虽然成为混合云的一部分，但仍保持为独立的个体，并被一个使服务相互操作的一致性接口约束着。它们之间的关联既可以是连续的，也可以是一个特定时间周期内相互独立的任务。混合云利用了公共和私有两个空间中的服务[52]，是把“公共云”和“私有云”结合到一起的方式。它所提供的服务既可以供别人使用，也可以供自己使用。在“公共云”和“私有云”之间形成一种内外数据相互流动的形态，便是混合云的模式。

　　(2) 业务交付模式

　　云计算的业务交付模式是一个服务层次的集合[6]如图 2-3 所示，通过网络传递应用程序以及数据中心的硬件和系统软件。将焦点集中在松耦合、模块化等关键属性上，每一层即可单独提供云服务，也可以与其它层结合提供云服务，主要分为三种服务层次：基础架构即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。

　　① 基础架构即服务（IaaS，Infrastructure as a Service）。

　　基础架构即服务是由存储设备、网络设备及服务器等相关硬件设施组成的，通过将 IT 基础资源（计算、网络、存储）整合以资源“池”的形式提供给用户。用户通过网络动态地获取所需 IT 资源，运行自己的业务系统。

　　② 平台即服务（PaaS，Platform as a Service）。

　　平台即服务在基础架构即服务之上，是整个云计算系统的核心，主要包括并行程序设计、并行开发环境、结构化海量数据的分布式存储管理系统以及实现云计算的其它系统管理工具。Paas 通过网络提供运行应用所需的基础设施，应用基础设施以一组服务的形式出现。这些服务包括但不局限于中间件即服务、信息即服务、集成即服务、连接即服务等，用于支持运行在云里的应用程序，实现云内部所需的可扩展性。平台即服务能保证部署客户的应用程序以满足用户的需求[53]。利用 PaaS，应用程序开发者可以独立于软件开发商和企业的 IT 部门，专注于创新，而不是复杂的基础设施。利用 PaaS，在简单地保持企业业务运营的同时，可以更改很大一部分预算，用于创造那些能真正提供商业价值的、新的、创新的应用。PaaS 正在驱动一个大规模创新的时代，任何与互联网连接的人都可以建立强大的应用程序，并轻松的部署它们，并交付给在任意地方的用户。

　　③ 软件即服务（SaaS，Software as a Service）。

　　软件即服务管理应用程序。这些应用程序统一部署、运行在云上，并作为服务按需提供给用户。用户根据需求使用标准接口直接通过网络获取自己所需要的、带有相应功能的软件服务。通过 SaaS 模式交付的应用程序，客户无需安装和维护软件，并可通过支持“按照使用付费”思想的授权许可模式使用[60]。

　　(3) 核心本质特征

　　云计算具有很多与终端消费者使用行为相关的本质特征。从 IT 系统和体系结构的角度来看，具有如下特征：
　　
　　① 可量化的服务。
　　
　　使用“随用随付”（pay-as-you-go）模型，随着资源需求的变化，按需分配资源，按资源付费。允许用户依据性能支付费用，用户不再需要针对峰值负载设计资源。

　　② 快速而弹性的部署。

　　大型资源池的存在造就了称为弹性的概念，指的是根据需求量动态改变资源消耗量的一种能力，既能在基本负荷下正常执行，又能应付峰值负荷，同时兼具足够好的性能。资源随应用需求量增减而利用和释放。

　　③ 按需求提供的自服务。

　　能够自动按需供应和部署新实例，并且当峰值消退，不再需要多余资源，可以释放和回收这些实例。

　　④ 通过网络广泛访问。

　　基于网络授权用户可以随时随地使用 IT 资源，网络访问更便捷。

　　⑤ 资源的池化整合。

　　通过共享将物理资源抽象成可以动态管理虚拟资源，组成一个巨大的可访问的虚拟资源池，依据资源需求量的增减可以动态地分配以适应弹性伸缩的负载，使硬件设备得以高效利用。

　　2.1.3 云计算关键技术

　　云计算的关键技术如表 2-4 所示。

　

　　
　　2.2 物联网

　　2.2.1 物联网定义

　　物联网是新一代信息技术的重要组成部分，物联网的概念来源于 1999 年美国麻省理工学院（MIT）的自动识别（Auto-ID）研究中心的 Kevin Ash-ton 教授提出的:“将物品通过 RFID 射频识别技术实现非接触式自动识别，然后通过网络实现物品的识别和管理”[52]。

　　2005 年国际电信联盟发布题为《ITU Internet reports 2005：the Internet ofthings》的报告，正式提出了“物联网”的概念：信息与通信技术的目标已经从人与人之间的沟通，扩展到人与物、物与物之间的连接，万物的连接就形成了物联网。其描述如图 2-5 所示，任何物体无论何时、何地都可以通过网络进行信息交换和共享[54]。

　　

　　
　　目前，国内普遍认同的物联网定义是：“任何物品都能通过网络，利用信息传感设备，遵照一定的标准相互连接起来，进行信息的交互和共享，以实现对物体智能化管理的一种网络”[10-11]。简单地说，物联网就是通过网络实现物物相连。首先，网络依然是物联网的核心和基础；其次，信息采集延伸到了任何物品，并且物品之间可以相互交互。

　　2.2.2 物联网多角度解析

　　(1) 物联网的技术架构

　　物联网涉及范围广泛，从分层的角度看，主要有以下三层如图 2-6 所示:
　　

　

　　
　　① 感知层。

　　感知层由各种信息传感设备组成，实时采集物体的信息，是物联网中物体识别、信息获取的源头。

　　② 网络层。

　　网络层承担数据准确传递和实时交互的责任。由互联网、移动通信网和其他专网组成。网络层的安全可靠是物联网实现的基础。

　　③ 应用层。

　　通过对海量数据进行分析和处理，对物体实施智能化的控制，使服务集成成为可能。

　　(2) 物联网本质特征

　　物联网的本质是通过网络进行终端信息的采集、交互和处理。物联网的本质特征可概括为：准确感知、实时交互和智能分析[13]。示意图如图 2-7 所示。

　

　　
　　准确感知即通过使用射频识别装置、红外线感应器等各种传感器，实现全天候无接触的自动识别、感知和获取物体实时、准确的信息。实时交互即通过可靠的有线或无线网络，实现物体信息的可靠传递和共享。智能分析即依靠先进的信息处理技术，实现感知层获取的海量信息的有效整合、挖掘和分析，并提供智能化的决策和管理，促进物体间的智能融合。

　　2.2.3 物联网关键技术

　　物联网关键技术如表 2-8 所示。

　

　　
　　2.3 云计算与物联网的融合

　　2.3.1 云计算的核心理念

　　云计算是一种计算模式，在这种模式下，利用 Web 技术连接大量计算机构成的资源池作为服务被动态分配，以适应用户的需求。云计算的主要目标是通过共享获取需要的资源以及按需分配提高资源的利用率。云计算抽象出诸如 CPU、内存、存储资源、网络资源等底层资源，从而使多样的业务需求可以协同地运行在同一硬件平台上。用户只需专注于自己的业务而无须具备云计算技术架构的相关知识、专业技术或者控制力。云计算秉承的核心理念是“一切即服务”[16]，无论是软件即服务（SaaS）还是平台即服务（Paas）和基础设施即服务（IaaS），其核心理念都是为用户提供按需服务。

　　2.3.2 物联网的核心理念

　　物联网的核心理念是智能感知以及智能控制，就是基于物体（包含人）之间的信息交互。物体的信息以及环境信息通过网络传输到数据中心后进行统计分析，可实现各种信息服务和应用。同时人们根据数据中心的数据分析，通过网络对泛在网络末端的设备进行智能控制，产生以及执行控制行为。

　　2.3.3 二者融合可行性分析

　　物联网与云计算是近年来兴起的两个不同的概念。云计算与物联网各自具备很多优势，它们互不隶属，但它们之间却有着千丝万缕的联系。云计算和物联网的融合主要体现在以下两个方面：
　　
　　(1) 云计算智能处理物联网的数据。

　　物联网从感知层到应用层，部署了大量信息传感设备，获取了海量的大数据，整合、挖掘和分析这些海量数据需要一个大规模的计算平台作支撑。而云计算本身就是一种新的、高效的计算模式，结合云计算来处理这些海量数据，提取出有用的隐藏信息和有效数据，提供智能化的决策和管理。没有云计算的智能处理，物联网的海量数据就没有了意义。

　　(2) 物联网体现“云”特征。

　　随着物联网技术的发展，识别、感知和分析的数据成级数增加，对计算资源、存储资源和网络资源等资源可靠性提出了比较高的需求，并且资源负载动态变化，当业务需要的资源大于服务器负载的阈值时，服务器出错的概率会大大增加。一旦服务器出现问题，就意味着数据的丢失。但是，基于业务需求的峰值来增加资源不仅价格昂贵，而且会在资源需求少时闲置资源，云计算具有的可量化的服务、快速而弹性的部署、按需提供的自服务、通过网络广泛访问及资源的池化整合特征提高了服务器的可靠性，实现了资源的动态分配和优化共享，有效节约信息化成本并大大提高了资源利用效率。

　　(3) 云计算优化共享物联网的信息。

　　物联网的数据处理和存储都在“云”端，不受地理位置的限制，实现最大程度的信息共享。

　　(4) 云计算、物联网相互推动。

　　物联网是对互联网的拓展，云计算是一种网络应用模式，物联网本身需要大规模的快速计算能力，而云计算作为一种新的、高效的计算模式为物联网的发展提供了坚实的基础。物联网的发展推动了云计算的进步，云计算又促进了物联网的大规模应用。

　　总之，云计算和物联网融合推动了“智慧地球”的发展，通过可靠的网络环境实现了海量终端设备 24 小时与“云”端连接，终端设备识别、感知和获取的信息依托“云”端的智能处理，实现动态管理，真正实现物与物之间的智能融合。云计算和物联网二者相辅相成，合则两利。

　　2.3.4 云计算与物联网融合模式

　　在创新管理理念的指导下结合云计算和物联网的核心理念，分析现有技术可以发现，物联网和云计算的融合可以采用以下几种模式[17-19]：
　　
　　(1) 单中心－多终端。

　　“云”中心的架构部署模式一般采用私有云，物联网终端设备数量比较少、分布范围比较窄，终端识别、感知、获取的数据通过“云”中心进行处理及存储。

　　(2) 多中心－海量终端。

　　“云”中心的架构部署模式一般采用公有云加私有云，物联网有分布范围广泛的海量终端设备，终端识别、感知、获取的海量数据通过网络传输到混合云，实现数据的智能处理和优化共享。

　　(3) 业务分层处理－海量终端。

　　“云”中心的架构部署模式一般采用混合云，物联网的海量终端设备区域跨度大，数据类型多种多样，数据量成级数增长。根据数据处理的需求以及“云”中心的地理位置进行合理的资源分配。

　　2.4 钢铁行业信息化现状分析

　　大型钢铁企业信息化建设，一直作为一项重要研究受到国内外钢铁企业的重视。蒂森克虏伯、米塔尔、新日铁、浦项、中钢、宝钢、武钢等大型钢铁企业都进行了企业信息化建设，为企业创造了巨大的效益，得到良好的回报。

　　我国钢铁行业信息化建设经过 30 多年的发展，取得了显著成效，呈现出前所未有的新局面。目前国内大部分的钢铁企业都已经实施了企业信息化，企业通过实施信息化构筑了较为完整的企业信息化管理平台，建立了企业可持续发展的系统应用架构。然而，在信息采集、数据分析、流程优化等方面仍然需要较多人工干预和操作，信息化建设的效果并不如预期的那样理想，主要表现在企业管理系统和基础数据脱节，无法建立集成统一的信息化应用平台。

　　随着云计算、物联网技术的发展以及在钢铁行业的应用，德国蒂森克虏伯钢铁公司实现了其原料板坯的物流管理，瑞典钢铁公司实现了轨道车辆的定位和运输管理，日本神户制铁实现了成品库管理的智能化[20]。武钢提出大力发展钢铁相关产业，建立“数字武钢”，利用云计算、物联网等新兴技术支撑企业发展。建立企业云服务和物联网服务平台支撑企业健康、可持续发展，“两化”深度融合推进了武钢的发展转型[21]。中国电信与宝钢集团在上海签署了战略合作框架协议，双方将在多个领域展开全面合作。中国电信将积极探索利用云计算和物联网技术改造宝钢集团生产工厂，在聚集了海量生产信息资源的基础上，进行信息资源的深度开发和利用，助力宝钢实现精确化、实时化的现场管控[22]。

　　我国钢铁行业信息化建设在某些领域已经达到或者接近国际先进水平，但总体来看发展很不平衡，在规模、效益、产品质量和技术含量等方面与发达国家存在较大差距。钢铁企业的管理思想、方法等都迫切需要与国际接轨，借助信息化建设的契机带动企业管理变革，实现企业技术、管理和体制的创新，以适应国内外激烈的竞争形势。从这个意义上讲，企业信息化不但是技术层面的工程，还是个管理工程，是管理的根本变革，是管理的创新，是企业增强竞争力的有效的手段。根据企业实际需求采用先进的信息技术，领先的管理理念，提高产品技术含量与附加值、提升快速响应能力与品牌价值，尤其要在节能减排、低碳经济、绿色钢铁、提高自主创新能力和持续发展能力方面下功夫，稳步推进信息化建设。